Conceptos básicos de acústica

Conceptos básicos de acústica: teoría acústica y glosario de términos

A todos nos cuesta un poco ponernos en plan teórico, estudiarnos formulas y desarrollar completos conceptos físicos. Pero cuando se trata de realizar cálculos acusticos, diseño de salas o analisis de productos, necesitamos ampliar y reforzar nuestros conceptos teóricos.

Por este motivo, hemos preparado este post en nuestro blog, donde vamos a dar un repaso a los principales conceptos de la teoría acústica, y un glosario de terminos de acústica

Ruido de fondo:

Para una correcta comprensión del mensaje vocal es necesario que el nivel de señal útil (sonido directo y primeras reflexiones) supere al nivel del ruido de fondo.

Éste consta de dos elementos:

- Ruido generado en el interior del recinto. por ejemplo, los ruidos producidos por los sistemas de climatización, personas, de iluminación, de calefacción, de megafonía, etc.
- Ruido procedente del exterior. por ejemplo el tráfico, ruidos producidos en salas adyacentes, etc.

Y para evaluar si el ruido presente en una sala es o no molesto para el oyente, se mide para las 8 bandas de octava comprendidas entre 63 Hz y 8 KHz y se compara con unas curvas estandarizadas, conocidas como curvas NC ("Noise Criteria").

Existe una curva indicada para cada tipo de sala y además, tienen en cuenta la distinta sensibilidad auditiva frente a la frecuencia. Es decir, el máximo nivel sonoro permitido es mayor en bajas frecuencias que en altas, ya que el oído es menos sensible a medida que la frecuencia disminuye. En la siguiente tabla aparecen, a modo de ejemplo, las curvas NC recomendadas para algunos recintos y su nivel sonoro equivalente.

Tiempo de Reverberación:

Se define como el tiempo que transcurre desde que la fuente cesa su emisión, hasta que la energía acústica presente en el interior de una sala, cae 60 dB. Es posible medir el tiempo de reverberación a partir de la curva energía-tiempo. Sin embargo, como el ruido de fondo suele ocultar la parte final de dicha curva, en la práctica se mide el tiempo que tarda en caer 20 o 30 dB y se aproxima TR, multiplicando dichos tiempos por 3 o 2, respectivamente. Esta curva de decaimiento energético es distinta para cada posición dentro de la sala y además, varía con la frecuencia. Por ello, se adquieren los tiempos de reverberación de varias posiciones, que serán promediados a continuación. Y esto se hace para las bandas de octava centradas en las frecuencias 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 y 8000 Hz. Es habitual prescindir de la primera y última banda, en especial, para salas dedicadas a la palabra. También podemos calcular TR mediante fórmulas basadas en la teoría estadística (Sabine, Norris-Eyring, Arau-Puchades, Kuttruff, etc). El inconveniente es que su valor es independiente de la posición del receptor y además, sólo es válido en condiciones de campo difuso (la propagación del sonido en el recinto es equiprobable en cualquier dirección). La fórmula más conocida y empleada es la de Sabine: 

donde:
V: volumen de la sala.
ATOT: absorción total de la sala.
m: constante de atenuación del aire. 

En definitiva, vemos que el tiempo de reverberación depende del volumen del recinto y de la absorción de los materiales y del aire. Así, cuanto mayor sea la absorción, menor será TR y cuanto mayor volumen tenga la sala, mayor será TR. Además, en esta expresión aparece también recogida la dependencia con la frecuencia, puesto que los coeficientes de absorción de los materiales y la constante de atenuación del aire varían con la misma. Así pues, TR deberá calcularse para las distintas bandas de octava. En general, disminuirá con el aumento de la frecuencia, debido principalmente a la absorción del aire, que es considerable en altas frecuencias y, sobre todo, en recintos grandes.

Valores recomendados de Tiempo de Reverberación:

Todo recinto tiene un valor de Tiempo de Reverberación óptimo, según la aplicación a la que se destine. Este valor es el TRmid, que se obtiene como la media aritmética del tiempo de reverberación en las bandas de octava centradas en 500 y 1000 Hz, cuando la sala está ocupada. A continuación aparecen tabulados algunos de estos valores, a los que se llegó después del análisis de distintas salas de reconocido prestigio internacional  

El tiempo de reverberación está íntimamente relacionado con la inteligibilidad de la palabra. Veamos porqué: En una sala viva o reverberante (TR elevado), la persistencia de las vocales en el tiempo es todavía mayor que la que habría en espacio libre, que ya de por sí es elevada (90ms). Esta mayor duración de las vocales, junto con su mayor nivel sonoro y el hecho de que su espectro sea rico en bajas frecuencias, puede llevar a un solapamiento de las vocales sobre las consonantes. Dado que éstas son las que aportan significado al mensaje, si son enmascaradas parcial o totalmente, la inteligibilidad de la palabra disminuirá. Así pues, cuanto mayores sean las exigencias de una sala respecto a la inteligibilidad de palabra, menor será el tiempo de reverberación óptimo, y además, conviene que sea lo más constante posible con la frecuencia, en especial, en bajas frecuencias (bandas de octava centradas en 125 y 250 Hz). Por otra parte, para un correcto diseño acústico, es aconsejable que la variación del tiempo de reverberación con el grado de ocupación de la sala sea pequeña, para que las condiciones acústicas sean aceptables en cualquier circunstancia

Existen dos parámetros definidos a partir del tiempo de reverberación y que se utilizan exclusivamente en recintos destinados a la música

Calidez Acústica (BR)

Es la relación entre los tiempos de reverberación de las bajas frecuencias (125 y 250 Hz) y de las frecuencias medias (500 y 1000 Hz).

Representa la riqueza en bajas frecuencias (sonidos graves) de una sala, lo que es indicativo de la sensación subjetiva de calidez y suavidad de la música escuchada en ella. Durante la fase de diseño se deberá tener especial cuidado con los materiales usados, a fin de evitar coeficientes de absorción altos en bajas frecuencias, que reducirían la calidez acústica. Así, según Beranek , los valores recomendados para una sala de música sinfónica, ocupada, dependen del TRmid óptimo. Por ejemplo:  

Si TRmid = 1,8 segundos, el margen de valores aceptables para la calidez es:
1,10 ≤ BR ≤ 1,45

Si TRmid = 2,2 segundos, entonces se tiene:
1,10 ≤ BR ≤ 1,25

Para los valores de TRmid intermedios, el valor de BR se obtiene por interpolación de los anteriores. 

Brillo (Br)

Es la relación entre los tiempos de reverberación de las altas frecuencias (2 y 4 KHz) y de las frecuencias medias (500 y 1000 Hz).

Mide la riqueza en altas frecuencias (sonidos agudos) de la sala, lo que conduce a un sonido claro y brillante. Beranek recomienda un valor de Br ≥ 0,87. Sin embargo, un excesivo brillo origina un sonido artificial molesto, por eso, es aconsejable que Br no supere la unidad. De hecho, la mayor absorción del aire en altas frecuencias (mayor cuanta menor humedad relativa haya), ayuda a que esto se cumpla. Existen otros parámetros acústicos que fueron surgiendo a medida que aumentaban los conocimientos sobre la percepción humana y que mejoraron considerablemente los resultados del análisis acústico de salas. Entre ellos encontramos los siguientes:  

"Early Decay Time" (EDT)  

Se calcula multiplicando por seis, el tiempo que transcurre en caer 10 dB el nivel de presión sonora, desde que la fuente deja de emitir. Es un parámetro muy relacionado con TR, con la salvedad de que EDT mide la reverberación percibida (subjetiva) y TR la reverberación real (objetiva). Por este motivo, para determinar el grado de viveza de una sala es más fiable guiarse por el valor de EDT. No obstante, las salas con una geometría regular y una distribución homogénea de los materiales absorbentes, se caracterizarán por una difusión uniforme del sonido. Y en consecuencia, la curva de decaimiento energético presentará una única pendiente, que devolverá valores de EDT y TR coincidentes.

Pero, en general, las salas no cumplen estos requisitos, de modo que habrá puntos que posean una doble pendiente en la curva energía-tiempo y en ellos los valores de EDT y TR diferirán. Un menor valor de EDT respecto al TR, indicará que la sala resultará, a nivel subjetivo, más apagada de lo que se deduciría del valor de TR. Así, por ejemplo, tendremos valores de EDT menores en aquellos puntos que presentan una mayor concentración de las reflexiones o también con una mayor absorción respecto al resto de posiciones de la sala. Al igual que para el tiempo de reverberación, existen valores recomendados para EDT. Así, para asegurar una correcta difusión del sonido se aconseja que la media aritmética de EDT en las frecuencias de 500 Hz y 1 KHz con la sala vacía, denominada EDTmid, sea lo más similar posible a los valores recomendados para TRmid

Sonoridad  

Se distinguen dos parámetros, comúnmente denominados sonoridad, y que son mutuamente excluyentes:

- "Speech sound level" (S): utilizado para salas destinadas a la palabra.
- "Strength factor" (G): empleado en recintos orientados a la audición de música.

Ambos sirven para medir el grado de amplificación que una sala produce sobre el mensaje de voz (S) o sobre la música (G). El parámetro S se define, según Barron, como la diferencia entre el nivel medio
de presión sonora en un punto de la sala y el nivel de referencia 39 dB, cuando la fuente es una persona situada sobre el escenario. El nivel de referencia es el nivel medio de presión sonora que existiría a 10 metros de la fuente si esta estuviese en condiciones de espacio libre:  

En la práctica, como los niveles medios se calculan promediando los niveles de las bandas de octava de 500 Hz, 1 KHz y 2 KHz, la sonoridad se suele expresar como Smid y se evalúa cuando la sala está ocupada. Según estudios realizados por Barron en teatros de condiciones acústicas óptimas, el margen de valores recomendado para Smid es:

Cuando el oyente está colocado frontalmente al actor:
4 ≤ Smid ≤ 8 dB
• Cuando el espectador está situado lateralmente al actor:
2 ≤ Smid ≤ 6 dB

En cualquier caso, el valor de Smid deberá ser siempre positivo, de modo que en cualquier punto de la sala se mida un SPL>39 dB. El parámetro G se define, según Lehmann, como la relación entre el nivel de
presión sonora total SPL en un punto de la sala, donde radia una fuente omnidireccional, y el nivel de presión sonora a 10 metros de la misma fuente en condiciones de espacio libre (nivel de referencia)

Usualmente, se recurre al valor Gmid para evaluar la calidad acústica de la sala. Éste se calcula como la media aritmética de G en las bandas de octava centradas en las frecuencias de 500 y 1000 Hz, cuando la sala está vacía. Según Beranek, el margen de valores recomendados para una sala de conciertos es: 

4 ≤ Gmid ≤ 5,5 dB

Para ambos parámetros, G y S, los principales factores que influyen en su medida son:

- La distancia del receptor a la fuente: disminuyen, al aumentar dicha distancia.
- El área ocupada por el público: disminuyen, al aumentar la absorción debida al público.
- El nivel del sonido reverberante: aumentan, al aumentar la contribución energética debida a la reverberación, aunque empeora la inteligibilidad.
- Las primeras reflexiones: aumentan, cuando aumenta el número de primeras reflexiones, que a su vez aumentan la inteligibilidad.

Conclusiones:

Aunque hay muchos más parámetros y valores acústicos a tener en cuenta en el diseño de una sala, estos son los principales, y sobre todo el valor de tiempo de reverberación que es un parámetro básico en cualquier análisis acústico. 

Si tienes cualquier consulta, o quieres que ampliemos o analicemos algun otro parámetro acústico, teoría... no dudes ponerte en contacto con nosotros!